CN101678499A - 用于在摩擦焊接之后通过环肩的变形而在多个平面部件之间形成摩擦焊连接的方法以及使用所述方法形成的摩擦焊连接 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过连接件(60)在保持在一起的多个层叠的平面部件(61，62)之间形成摩擦焊连接的方法，其中所述连接件的环肩(67)支撑在上部件(61)上，所述连接件的前端面与下部件(62)一起形成摩擦焊接区(63)，所述摩擦焊接区通过连接件(60)的旋转和压力而形成。在第一步骤中，当形成摩擦焊接区(63)后，使得所述连接件(60)停止旋转，以及在第二步骤中，在环肩(67)与上部件(61)接触前，在所述连接件(60)停止旋转后，通过施压工具在所述连接件上施加压力，所述压力使得所述环肩(67)因变形而按压到所述上部件上。

Description

用于在摩擦焊接之后通过环肩的变形而在多个平面部件之间形成摩擦焊连接的方法以及使用所述方法形成的摩擦焊连接
技术领域
本发明涉及一种通过连接件在保持在一起的多个层叠的平面部件之间形成摩擦焊连接的方法，其中所述连接件的环肩支撑在上部件上，所述连接件的前端面与下部件一起形成摩擦焊接区，所述摩擦焊接区通过连接件的旋转和压力而形成。
本发明还涉及一种通过所述方法而在多个层叠的平面部件之间形成的摩擦焊连接结构。
背景技术
美国专利3,477,115中公开了一种通过连接件在保持在一起的多个层叠的平面部件之间形成的摩擦焊连接，其中所述连接件的环肩支撑在上部件上，并且所述上部件设置有用于容纳该连接件的穿透部(penetration)。根据上述公开出版物中给出的信息，上述用于形成所述摩擦焊连接的方法包括：使得具有钝头前端面的连接件穿透打孔的上部件或未打孔的上部件而到达下部件，其中通过连接件施加在下部件上的压力而在连接件与下部件之间形成摩擦焊接区，该上、下部件进而通过其环肩支撑在上部件上的连接件以及摩擦焊接区而连接在一起。该连接主要取决于摩擦焊接区(具体地，该摩擦焊接区形成在连接件的前端面和下部件之间)的形成，而不会使得所述上、下部件受到任何特定的保持压紧力的约束，之所以如此是因为，在摩擦焊接操作过程中压紧力会由于待焊接材料的软化、并且其中待连接的部件将精确定位在摩擦焊接区中的材料随后将固化的位置上而降低。因此，上述公开出版物中采用的摩擦焊接方法不能够得到具有特定的保持压紧力的连接。
发明内容
本发明的目的在于设计上述的摩擦焊接方法，以使得在摩擦焊接区固化之后，除了形成摩擦焊连接之外，所述上部件还受到朝向下部件的施加压紧力。本发明的目的通过以下方式实现：在第一步骤中，当形成摩擦焊接区之后，在第一步骤结束时使得所述连接件停止旋转，以及在第二步骤中，当所述连接件停止旋转后，在环肩与上部件接触前，通过施压工具在所述连接件上施加压力，所述压力使得所述环肩因变形而按压到所述上部件上。
摩擦焊连接的形成方法设计为上述两个步骤确保了以下效果：首先，形成了摩擦焊连接本身，并使得在摩擦焊接操作结束并且连接件的旋转停止的情形下，连接件的环肩仍然与上部件相距较短的距离，即处于环肩与上部件接触之前的位置，从而，在根据本发明方法的第二步骤中，施加到环肩上的压力(因此使得环肩变形并扭曲回折)使得上部件受到恒定的压力，所述恒定的压力完全独立于摩擦焊连接的设计和最终状态。
按照上述方法形成的摩擦焊连接是根据本发明设计的，从而通过对连接件施加压力，在摩擦焊接操作结束时使得环肩形成与上部件相适应的变形，该变形实现了上部件与连接件之间的牢固连接。因此，环肩设计为允许其变形，该变形进而形成上部件与连接件之间的牢固连接，从而上部件通过变形的环肩而被始终按压到下部件上。
根据本发明的方法能够用于连接多个层叠的平面部件，无论各个上部件是设置有用于容纳连接件的穿透部还是为未穿孔的上部件的形式均能够形成连接。在第一种情况下，连接件的前端面通过旋转和按压而使得处于该前端面区域中的下部件的材料熔化，从而在下部件上形成摩擦焊接区。在第二轴情况下，连接件由于上部件的软化而被按压穿过上部件，并且连接件与下部件接触以形成摩擦焊接区。
在优选的实施方式中，所述环肩可以设计为具有与所述上部件相对的钝头锥形的接触表面，其中，在所述环肩变形之后，所述接触表面的外边缘以环状方式支撑在所述上部件上或穿透到所述上部件内。
可选地，所述环肩可以在摩擦焊连接的形成方法进行过程中才形成，更具体地，所述环肩为由施压工具形成的突起的形式，所述突起是所述连接件中的孔的一部分，所述孔位于所述连接件的背向所述上部件的一侧。因为无需在连接件上初始便设置有环肩，因此该环肩的设计简化了连接件的结构。仅通过使得连接件的孔的壁突出来产生环肩，并且该环肩被挤压到上部件的穿透部的内锥口内，这也确保了上部件与连接件之间的牢固连接。在优选的实施方式中，摩擦焊接区可以通过连接件的前端面上的环形表面形成。在该情况下，由于连接件旋转并且在该连接件上施加有压力，因此环形表面的有限面积快速地形成摩擦焊接区的变形，从而该设计对快速形成连接而言特别有利。可选地，摩擦焊接区可以由位于连接件的前端面上的基部的整个横截面区域形成，这使得摩擦焊接区具有特别大的面积，从而能够经受较高的载荷。
为了实现用于驱动连接件旋转和受压的有利设计，有利地，连接件在其背向上部件的一侧设置有安装到驱动夹具(driving chuck)内的驱动横截面。例如，所述横截面可以为六角形，该六角形可以容纳在驱动夹具的对应的六角形内。所述驱动横截面可以为类似心轴的横截面，从而可以安装到设置有相应开口的驱动夹具内。可选地，连接件也可以设置有适于容纳类似心轴的驱动夹具的中空的驱动横截面。
如果连接件设计为具有中空的驱动横截面，则该连接件还可以设计为具有内锥孔，所述内锥孔有利地用于容纳施压工具。这种施压工具可以有利地形成安装到内锥孔内的外锥体，从而能够使得内锥孔相应地向外张开，并且能够使得环肩变形以按压到上部件上。
连接件本身可以为内螺纹件或螺栓件的形式，从而其它部件能够被附加或连接到连接件上。
通过以下方式能够有助于使得所述环肩产生压力，即连接件为具有外周槽口的管件形式，其中，当施加压力时，所述外周槽口被压缩至使得所述环肩与所述上部件贴合接触的程度。
为了自动生产的目的，连接件可以有利地设置有能够允许或简化自动传送连接件的设计。这可以通过以下方式实现，例如，所述连接件通过预定的断裂点连接到施压工具上，其中，在摩擦焊接操作结束时，所述施压工具由于施加增大的压力而从所述预定的断裂点断开。这种设计特别适于采用特别短的连接件的场合，该特别短的连接件本身难以适于自动传送，但是，在连接件通过预定的断裂点连接到施压工具上而得到加长时，该连接件可以容易地使用公知的传送装置来操作，同时由于该施压工具随后可以通过预定的断裂点断开，并且在必要时可以丢弃该施压工具，因此在焊接操作之后可以移除该施压工具。
连接件的环肩可以设置有面向所述下部件的环形凸缘，在所述环形凸缘被按压到上部件上之后，所述环形凸缘阻止了连接件的任何侧向移动，同时该环形凸缘还提供密封。这特别能够防止任何异物、尤其是湿气渗入摩擦焊接区内。环形凸缘如果进行硬化处理则尤其有效。
附图说明
图中显示了本发明的示例性实施方式，在附图中：
图1显示了插入到上部件的穿透部中的连接件的剖视图，所述连接件具有中空的驱动横截面和用于与上部件接触的未焊接的环形表面；
图2显示了类似的连接件的剖视图，该连接件的前端面的整个横截面区域设置为用于摩擦焊操作；
图3显示了与图1所示的连接件类似的连接件的剖视图，但是该连接件不具有中空的驱动横截面；
图4显示了图3所示的连接件的非剖视图；
图5显示了与图1所示的连接件相类似的连接件，该连接件具有中空的驱动横截面和环形表面；
图6显示了与图1类似的设计，其中施压工具处于适当位置并且形成了摩擦焊接区；
图7显示了在施压工具施加了压力并且环肩变形之后的图6的布置；
图8显示了施压工具的一种变型设计；
图9显示了插入上部件中的连接件，该连接件的设计允许该连接件被压缩并被挤压形成环肩；
图10显示了图9所示的结构在施压工具施加压力并且进而径向向外形成压入到上部件的内锥口内的锥形环肩后的设计；
图11和图12显示了与图9中的设计相类似的设计，其中当所述连接件被按照图12所示的那样压缩时，该设计在连接件上产生外部环形凸缘以形成环肩；
图13显示了内螺纹件(female part)形式的连接件；
图14显示了螺栓件(threaded stud)形式的连接件；
图15显示了具有槽口的连接件，该槽口允许连接件的压缩变形；
图16显示了压缩后的连接件；
图17显示了通过预定的断裂点与施压工具连接的连接件；
图18显示了按压后的连接件，其中该连接件的预定的断裂点已被折断；
图19显示了按压后的连接件，其中施压工具已从该连接件上移除；
图20显示了螺栓形式的连接件，并且该连接件的环肩上具有环形凸缘；
图21显示了与驱动工具一起处于适当的位置以定位在未打孔的上部件上的连接件；
图22显示了通过摩擦穿过上部件的连接件，其中上部件的材料已经容纳至内孔中；
图23显示了在对连接件施加了特定的压力之后的与图22中所示的布置相同的布置；
图24显示了中空的连接件，该连接件的面向下部件的一侧具有沿径向外扩的环状切割刃；
图25显示了图24所示的连接件的俯视图；
图26显示了图24所示的连接件的设计的变型，该连接件具有沿径向内收的环状切割刃；
图27显示了具有实心的内部部分和钝头锥形前端面的连接件；以及
图28显示了与图23中的摩擦焊连接相类似的摩擦焊连接，其中所述环肩上具有环形凸缘。
具体实施方式
图1显示了连接件1与两个层叠的平面部件(即上部件2和下部件3)的结合。所述连接件(下文将对其细节进行更详细的说明)包括内部构件4，环肩5从该内部构件4径向向外延伸。环肩5为与内部构件4连接成一体的锥形盘的形式。环肩5的厚度朝向外侧减小，从而，当向环肩5的外边缘施加压力时，环肩5呈现出一定程度的轴向挠性。连接件1为中空管件的形式，该中空管件的内部设置有内六角形，该内六角形形成为驱动横截面，类似心轴(mandrel)的六角形工具可以插入连接件1内，以使得连接件1旋转，这将在下文中更详细地说明。连接件1插入到上部件2的穿透部7内，并且使得环形表面8支撑在下部件3的面向连接件1的侧面上，如下文所更详细说明的那样，其后在下部件3的该侧面上将形成摩擦焊接区。
图2至图5显示了连接件1的各种变型。在图2的剖视示意图中，具有内部构件4的连接件为中空形式，并且设置有基部9，该基部9设计为用于通过其前端面形成摩擦焊接区。环肩10从内部构件4向外延伸，环肩10的横截面与图1中的环肩5的设计类似。
图3的剖视示意图中的连接件1包括基本实心的内部构件11，内部构件11的用于定位在下部件上的一端设置有环形表面12，该环形表面12设置为用于形成摩擦焊接区。环肩10从内部构件11向外延伸，环肩10与图2中的环肩10的设计类似。
图4表示如图3所示的连接件1的整体视图，从图中能够明显看出，内部构件11为外六角形13的形式，从而能够通过内六角驱动工具旋转。
图5显示了图3和图4所示的连接件的变型的剖视图，其中，仅内部构件14为连续的中空设计，以形成内六角形空间15。与图3和图4所示的设计类似，图5中的连接件1设置有用于形成摩擦焊接区的环形表面。
图6显示了图1加上施压工具16的布置，该施压工具16通过其六角形施压心轴17与连接件1的内六角形19啮合，其中，在与施压工具16啮合时，外锥体18会迫使连接件1的上边缘分开或张开，这会将环肩5朝上部件2的方向按压。此外，内部构件4的环形表面8与下部件3的朝向内部构件4的表面接触。接触位置的加黑部分表示，在该位置上，通过施压工具16的旋转并且在连接件1上施加压力，摩擦热会导致摩擦焊接区的形成，该摩擦焊接区在固化后最终会在下部件3与连接件1之间形成固定连接。
图6显示了用于形成摩擦焊接区的本发明方法的第一步骤的效果。在形成所述摩擦焊接区之后，施压工具16停止旋转，但同时继续维持其作用在连接件1上的压力。
现在，施压工具16停止旋转之后进行本发明方法的第二步骤，其中，如图7所示，在该第二步骤中，施压工具16以增大的压力按压在连接件1上，以使得连接件1的环肩5回折的程度更大，从而在上部件2的相应表面上施加相对高的压力。这形成了两个部件2，3之间的连接，即通过连接件1的中介作用形成该连接，该连接件1的一侧通过环形表面8以及在该环形表面8处形成的摩擦焊接区而固定连接到下部件3上，并且该连接件1通过轻微回折的环肩5而朝下部件3的方向按压上部件2，从而两个部件通过连接件1而牢固地保持在结合位置上。
图8显示了施压工具的设计的变型。图8中的施压工具20设置有基本平坦的径向延伸的施压表面21，与图7中施加到连接件1上的作用过程相似，该施压表面21使得环肩5侧向向外张开，所述环肩5被按压到上部件的相应表面上。除此之外，图8中表示的内容与图7中的相同，从而，对于各个部件的操作原理的解释可以参考图7。
图9和图10显示了连接件22的设计，该连接件22通过施压工具24的施压操作而形成环肩23。图9显示连接件22为基本呈圆柱形的部件，并且具有内六角形25和环形表面26，该环形表面26在该情况下被加黑以表示摩擦焊接区。内六角形25与施压工具24的六角形心轴27配合。上部件28设置有内锥口31，上部件28的穿透部30容纳连接件22，内锥口31设置在上部件28的面向施压工具24的一侧。所述内锥口31具有用于在连接件22与施压工具24配合时容纳移位的材料的空间，其中，所述材料从连接件22的壁朝径向向外的方向形成锥形的环肩23，如图10所示。
图10显示了在第一步骤结束并且施压工具24的旋转停止之后的图9的布置，其中，作为根据本发明方法的第二步骤的结果，源自施压工具24的轴向压力现在已经将连接件22的壁按压至如下程度，即使得连接件22的材料沿向外的方向成锥形地进入内锥口31内，从而形成环肩23，该环肩23永久性地将上部件28按压到下部件29上。
图11和图12显示了连接件通过施压工具而形成环肩的方式的变型。在图11和图12中，两个部件(上部件32和下部件33)层叠布置，上部件32设置有穿透部34。连接件35插入该穿透部34，该连接件35设置有与图9中所示的内六角形类似的内六角形，并且由施压工具36通过相应的外六角形心轴来驱动。就该连接中的驱动过程而言，可以参考与图8和图9有关的说明。在图12中，驱动工具36施加的压力足够大以挤压连接件35的面向施压工具36的一侧，从而从连接件35上挤压出环形凸缘37，所述环形凸缘37起到环肩的作用，从而将上部件32按压到下部件33上。下部件33通过环形表面38并借助于摩擦焊接区(通过加黑部分来表示)连接到下部件33上，其中通过环形凸缘37作用于上部件32的相应表面上的压力确保了两个部件32，33牢固地连接在一起。
上述图中显示的连接件也能够用作内螺纹件(female part)或螺栓件(threaded stud)。
在图13中，连接件39设置有连续的螺纹孔40，从而将两个部件2，3连接在一起的连接件39也可以用于通过其螺纹孔40容纳螺栓以固定任何额外的部件。
图14显示了呈螺栓件42形式的连接件41，该螺栓42固定连接到连接件41的基本结构上。此处连接件39，41与上部件2和下部件3的连接分别通过上述连接方式来实现，例如参照图6所说明的连接方式来实现。
图13和图14中显示的设计可以用于多种用途，例如用于形成接地点(ground contact)。图15和图16中显示了连接件的其它可能的变形。在图15中，连接件45通过具有六角形心轴44的施压工具43按压到下部件3上。围绕连接件45的外周延伸的槽口46允许连接件45的变形，其中，在施压操作结束时，变形的连接件45具有如图16所示的形状，其中图15中所示的槽口46已经变形为狭窄的外周折缝47，连接件45上的环肩48与上部件2贴合接触，从而两个部件2，3通过连接件45牢固地接合。
图17至图19显示了连接件的其它特殊设计，这些图旨在提供一种连接件与施压工具连接的扩展形式，该扩展形式特别适于自动供给系统，在该自动供给系统中，特别小的连接件在使用时难以传送和正确的使用。所述连接件的扩展形式包括将与图1所示的连接件相同的有效连接件初始固定连接到施压工具上。
在图17中，连接件49通过预定的断裂点50而与施压工具51连接为一体，该施压工具51朝向连接件49的一侧设置有锥形部分52，该锥形部分52仅在摩擦焊接操作过程中起作用，这如同参照图6和图7所述的情形一样。施压工具51为心轴的形式，该心轴的后端形成有用于与驱动工具配合的六角形部分53。当压力施加到连接件49上并且在继而进行的摩擦焊接操作中(如参照上述附图所述)，预定的断裂点50由于施压工具51增加的压力而最终被折断，从而施压工具51的锥形部分52能够部分地穿入连接件49的内部，并且使得连接件49的环肩54相应地变形(参见图18)，这在连接件49通过摩擦焊接操作连接到下部件3上之后，最终使得连接件49具有与如图7所示的相应的形式。在进行摩擦焊接操作之后，进而可以将施压工具51从连接件49上移除(如图19所示)，从而使得施压工具51不再处于由连接件49在部件2、3之间形成的连接中。
图20显示了与图14所示的摩擦焊连接大致相同的摩擦焊连接，因此也可以参考图14。连接件55的环肩56的外边缘上设置有环形凸缘57，该环形凸缘57在其整个高度上基本被压进上部件58的材料中。环形凸缘57与上部件58之间的所述连接使得环肩56相对于上部件58形成特定的密封，并且也使得连接件55能够克服侧向移动力而固定。
图21显示了已经与旋转的施压工具59配合的连接件60，并且该连接件60设置在未打孔的上部件61上。图22另外显示了连接到两个部件61，62上的连接件60，其中在连接件60和下部件62之间形成了摩擦焊接区63。在上部件61的塑性化过程中转移的材料65进入到连接件60的内部64，此外，在穿透上部件61的过程中，塑化(即因摩擦而使材料塑性化或软化)的材料66还沉积在环肩67下方。
图23显示了在连接件60随后被按压到两个部件61，62上之后图22的布置，其中，环肩67已经稍微回折，从而能够通过按压而将其弹力施加到上部件61上。
图24显示了中空的连接件68，该连接件68虽然与图1和图5所示的连接件基本相同，但是该连接件68的面向待接合部件的前侧具有呈锥形延伸的开口69，该开口69具有径向外扩的钝切割刃70。这种设计使得连接件68能够更容易地穿透未打孔的上部件并且使得转移的材料更易于向内流动。
图25显示了如图24所示的连接件的俯视图，该图还显示出连接件68的后侧为六角形71的形式，该六角形71能够与适当形状的施压工具配合。
图26显示了另一种连接件72，该连接件72与图24所示的连接件的区别在于，该连接件72的前侧设置有外锥体73，在该情况下该外锥体73终止于沿径向内收的切割刃74。再次说明的是，该切割刃使得连接件72更容易穿透未打孔的上部件，并且使得转移的材料更易于向外流出。
图27显示了连接件75，该连接件75的内部部分为具有钝头锥形前端面的柱栓76的形式，因此连接件75可以为未打孔的部件。
图28显示了初始未打孔的上部件77与下部件78之间的摩擦焊连接，其中，与图22所示的情形类似，材料80流入连接件82的中空空间79内，所述材料80源自上部件77的相关部分的熔化。此外，连接件82的环肩81设置有环形凸缘83，该环形凸缘83在其高度范围内穿透进上部件77的材料内。因此该设计与图20所示的设计基本类似。

Claims (17)

1.一种用于通过连接件(1，22，35，39)在保持在一起的多个层叠的平面部件(2，3)之间形成摩擦焊连接的方法，其中，所述连接件(1，22，35，39)的环肩(5，10，23)支撑在上部件(2，28，32)上，并且所述连接件(1，22，35，39)的前端面与下部件(3)一起形成摩擦焊接区，所述摩擦焊接区通过所述连接件(1，22，35，39)的旋转和压力而产生，其特征在于，在第一步骤中，当形成所述摩擦焊接区之后，在所述第一步骤结束时使得所述连接件(1，22，35，39)停止旋转，以及在第二步骤中，当所述连接件(1，22，35，39)停止旋转后，在所述环肩(5，10，23)与所述上部件(2，28，32)接触之前，通过施压工具在所述连接件(1，22，35，39)上施加压力，所述压力使得所述环肩(5，10，23)因变形而按压到所述上部件(2，28，32)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述下部件(3，29，33)上形成所述摩擦焊接区之前，所述连接件(1，22，35，39)由所述上部件(2，28，32)中的穿透部(7，30，34)引导。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接件(1，22，35，39)的前端面通过旋转和压力来熔化位于该前端面区域中的所述上部件(2，28，32)的材料，从而在所述下部件(3，29，33)上形成所述摩擦焊接区。
4.根据权利要求1或2所述的摩擦焊连接，其特征在于，在摩擦焊接操作结束时，通过在所述连接件(1，22，39)上施加压力而使得所述环肩(5)产生适合于所述上部件(2，28，32)的变形，该变形实现了所述上部件(2，28，32)与所述连接件(1，22，39)之间的连接。
5.根据权利要求4所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述环肩(5)具有与所述上部件(2)相对的钝头锥形接触表面，其中，在所述环肩变形之后，所述接触表面的外边缘以环状方式支撑在所述上部件(2)上或穿透进所述上部件(2)内。
6.根据权利要求4所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述环肩(23)为由施压工具形成的突起的形式，所述突起是所述连接件(22)中的孔的一部分，该孔位于所述连接件(22)的背向所述上部件(28)的一侧。
7.根据权利要求6所述的摩擦焊连接，其特征在于，在所述环肩变形之后，所述突起被挤压到所述上部件(28)的穿透部(30)的内锥口(31)中。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述摩擦焊接区由所述连接件(22)的前端面上的环形表面(38)形成。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述摩擦焊接区由所述连接件(1)的前端面上的基部(9)的整个横截面区域形成。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件(1)在背向所述上部件的一侧设置有驱动横截面(13，15)，所述驱动横截面(13，15)安装到驱动夹具内。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件在背向所述上部件的一侧设置有用于容纳所述施压工具(18)的内锥孔。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件(39)为内螺纹件的形式。
13.根据权利要求1至11中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件(41)为螺栓件的形式。
14.根据权利要求1至3中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件(45)为具有外周槽口(46)的管件形式，其中，当对该连接件施加压力时，所述外周槽口(46)被压缩至使得所述环肩(48)与所述上部件(2)贴合接触的程度。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件(49)通过预定的断裂点(50)连接到施压工具(51)上，其中，在摩擦焊接操作结束时，所述施压工具(51)由于施加增大的压力而从所述预定的断裂点(52)断开。
16.根据权利要求1至15中任意一项所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件(82)的所述环肩(81)设置有环形凸缘(83)。
17.根据权利要求16所述的摩擦焊连接，其特征在于，所述连接件的所述环形凸缘经过硬化处理。
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